CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4 Phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu
2.4.2 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM
Hệ thống quét lực nguyên tử (AFM) là một phương pháp không phá hủy để hình dung hình thái bề mặt, ước tính độ nhám bề mặt và thu được đường biểu diễn chiều cao của vật liệu nano. AFM bao gồm các thành phần chính sau:
một cần tịnh tiến có đầu nhọn, nguồn laser và một cảm biến quang. Hoạt động của AFM dựa trên lực tương tác giữa đầu dò và bề mặt. Cần tịnh tiến sẽ bị uốn khi đầu dò bị mẫu uốn. Một chùm tia laser được tập trung vào cần tịnh tiến và phản xạ lại cảm biến quang. Vị trí của chùm tia phản xạ từ cần tịnh tiến sẽ thay đổi trên cảm biến quang khi cần tịnh tiến bị uốn. Có hai chế độ hình ảnh trong AFM: chế độ tiếp xúc và chế độ không tiếp xúc. Chế độ tiếp xúc là khi khoảng cách từ đầu dò đến bề mặt mẫu nhỏ hơn 0,5 nm. Chế độ không tiếp xúc là khi đầu dò không tiếp xúc với bề mặt. Độ lớn của lực có thể được xác định bằng cách uốn cong chùm tia trên đầu dò. Bằng cách này, AFM cung cấp một bản đồ địa hình của bề mặt (Hình 2.3). Trong luận án này, các mẫu được chụp bằng chế độ không tiếp xúc bằng AFM của Park Systems. (Hệ thống Park XE-100) tại trường Đại học Ajou, Hàn Quốc.
Hình 2.3. Ảnh chụp hệ đo AFM.
2.4.3 Hệ phân tích phổ tán xạ Raman
Trong khi các phương pháp phân tích SEM và AFM chỉ có thể cung cấp thông tin chung về hình thái, hình dạng, kích thước, mật độ và độ dày của vật liệu nano, phổ Raman có thể cho chúng ta biết các liên kết đặc trưng trong một phân tử, cung cấp cho người dùng một công cụ phân tích vô giá cho nhận biết phân tử. Phổ Raman dựa trên sự tán xạ phi đàn hồi của ánh sáng đơn sắc. Có hai loại tán xạ phi đàn hồi: Stokes (năng lượng đầu ra nhỏ hơn năng lượng đầu vào) và tán xạ anti-stokes (năng lượng đầu ra lớn hơn năng lượng đầu vào) (Hình 2.4). Sự khác biệt giữa ánh sáng đầu ra và ánh sáng đầu vào cung cấp thông tin về các cách thức dao động, hoạt động như dấu vân tay của vật liệu.
Hình 2.4 Giản đồ năng lượng thể hiện các trạng thái trong phổ Raman.
Hình 2.5 a) Sơ đồ cấu tạo, b) Ảnh chụp hệ phân tích quang phổ Raman LabRAM HR Evolution.
2.4.4 Máy quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
Phân tích nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật phổ biến được sử dụng để xác định thành phần hoặc cấu trúc tinh thể của một mẫu. Đối với các tinh thể lớn như các đại phân tử và hợp chất vô cơ, nó có thể được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể mẫu. Nếu kích thước tinh thể quá nhỏ, nó có thể xác định thành phần mẫu, độ tinh thể và độ tinh khiết pha. Kỹ thuật này gửi chùm tia X tới mẫu. Các chùm tia X được chọn vì bước sóng của chúng tương tự như khoảng cách giữa các nguyên tử trong mẫu, do đó góc nhiễu xạ sẽ bị ảnh hưởng bởi
a) b)
khoảng cách giữa các nguyên tử trong phân tử, trái ngược với việc sử dụng các bước sóng lớn hơn nhiều, sẽ không bị thay đổi bởi khoảng cách giữa các nguyên tử. Các tia X sau đó đi qua mẫu, “phản xạ” trên các nguyên tử trong cấu trúc và thay đổi hướng của chùm tia ở một góc khác, theta, so với chùm tia ban đầu.
Đây là góc nhiễu xạ. Một số trong những chùm tia nhiễu xạ này triệt tiêu lẫn nhau, nhưng nếu các chùm tia có bước sóng tương tự nhau, thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa. Khi các chùm tia nhiễu xạ giao thoa ta thu được một chùm tia mới có biên độ cao hơn. Biên độ sóng lớn hơn của sóng chuyển thành tín hiệu lớn hơn cho góc nhiễu xạ cụ thể này. Góc nhiễu xạ sau đó có thể được sử dụng để xác định sự khác biệt giữa các mặt phẳng nguyên tử bằng định luật Bragg:
sin = nλ/2d (2.1)
Trong đó λ là bước sóng được chiếu vào, là góc nhiễu xạ và d là khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử. Khoảng cách giữa các phiến nguyên tử sau đó có thể được sử dụng để xác định thành phần hoặc cấu trúc tinh thể.
Hình 2.6. Các tia X nhiễu xạ trên các mặt phẳng mạng nguyên tử.
2.4.5 Phổ kế UV-Vis
Quang phổ kế UV-Vis là một kỹ thuật phân tích phổ biến được sử dụng để đo độ hấp thụ hoặc độ truyền qua của mẫu trong dải ánh sáng cực tím và ánh sáng nhìn thấy (200-800 nm). Nó được sử dụng để xác định nồng độ phân tử, xác định các hợp chất hóa học và giám sát các phản ứng hóa học. Kỹ thuật này không phá hủy, tương đối nhanh và có thể được sử dụng để phân tích một loạt các mẫu, bao gồm chất lỏng, rắn, sương mù và khí. Tất cả các thiết bị này đều có nguồn sáng (thường là đèn deuterium hoặc đèn tungsten), giá đỡ mẫu và bộ phận dò, nhưng một số có bộ lọc để chọn một bước sóng tại một thời điểm.
Máy quang phổ một chùm tia: Đây là loại máy quang phổ đơn giản nhất và rẻ nhất. Nó có một nguồn sáng, một monochromator và một bộ phận dò.
Máy quang phổ một chùm tia được sử dụng để phân tích các mẫu có độ hấp thụ cao, chẳng hạn như các dung dịch màu đậm.
Máy quang phổ hai chùm tia: Đây là loại máy quang phổ chính xác hơn máy quang phổ một chùm tia. Nó có hai chùm tia ánh sáng: một chùm tia đi qua mẫu và một chùm tia đi qua một mẫu tham chiếu. Sự khác biệt giữa hai chùm tia được đo bởi bộ phận dò. Máy quang phổ hai chùm tia được sử dụng để phân tích các mẫu có độ hấp thụ thấp, chẳng hạn như các dung dịch màu nhạt.
Máy quang phổ đồng thời: Đây là loại máy quang phổ hiện đại nhất. Nó có một nguồn sáng và một bộ dò mảng diode. Bộ dò mảng diode có thể phát hiện độ hấp thụ ở tất cả các bước sóng cùng một lúc. Máy quang phổ đồng thời được sử dụng để phân tích các mẫu có độ hấp thụ thay đổi với bước sóng, chẳng hạn như các phân tử sinh học.
Hình 2.7. Quang phổ UV-Vis đơn chùm tia.
Hình 2.8. Quang phổ UV-Vis 2 chùm tia.
Hình 2.9. Quang phổ UV-Vis chùm tia liên tục.
Dữ liệu quang phổ UV-Vis có thể cung cấp thông tin định tính và định lượng về một hợp chất hoặc phân tử nhất định. Bất kể thông tin định lượng hay định tính là cần thiết, điều quan trọng là phải sử dụng tế bào tham chiếu để đặt máy quang phổ về 0 cho dung môi mà hợp chất đó ở trong. Để có thông tin định lượng về hợp chất, cần phải hiệu chuẩn máy quang phổ bằng cách sử dụng các nồng độ đã biết của hợp chất đó trong dung dịch có cùng dung môi với mẫu không xác định. Nếu thông tin cần thiết chỉ là bằng chứng cho thấy một hợp chất có trong mẫu được phân tích, thì đường chuẩn sẽ không cần thiết; tuy nhiên, nếu một nghiên cứu về sự phân hủy hoặc phản ứng đang được thực hiện và cần phải xác định nồng độ của hợp chất trong dung dịch, thì cần phải có đường chuẩn.
2.4.6 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
Quang phổ hồng ngoại (IR) dựa trên hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ trong vùng hồng ngoại, chuyển nó thành dao động phân tử. Sự hấp thụ này là đặc trưng của bản chất của các liên kết hóa học có trong vật liệu. Máy quang phổ đo độ hấp thu này dưới dạng hàm của bước sóng (hoặc số sóng). Quang phổ thu được giúp xác định định tính thành phần hóa học của vật liệu cũng như có thể thông qua cường độ các đỉnh phổ để đánh giá định lượng thành phần mẫu. Do đó, phổ IR đóng vai trò như một “dấu vân tay phân tử” đặc trưng của mẫu chất.
Trước đây, việc phân tích mẫu được thực hiện từng bước sóng, theo đó mẫu được chiếu xạ với các bước sóng đơn khác nhau (kỹ thuật tán xạ). Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, kỹ thuật quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) sử dụng nguồn sáng hồng ngoại với dải bước sóng rộng, đi qua một giao thoa kế và chiếu lên mẫu.
Hình 0.10. Sơ đồ kỹ thuật chung của hệ đo FTIR.
Trong các giao thoa kế sử dụng một bộ tách chùm tia hồng ngoại tới và chia nó thành hai chùm, sau đó cho giao thoa với nhau bằng cách thay đổi quang lộ của một trong hai chùm tia nhờ một gương phẳng dịch chuyển. Giao thoa kế cũng có thêm nguồn laser tham chiếu để hiệu chuẩn chính xác bước sóng, kiểm soát vị trí gương và thời gian thu thập dữ liệu (Hình 2.10). Để có tín hiệu giao thoa trên tất cả các giải bước sóng, người ta thực hiện thông qua một kỹ thuật toán học được gọi là phép biến đổi Fourier. Sự biến đổi này được thực hiện bởi máy tính, và cho người sử dụng thông tin phổ mong muốn để phân tích (Hình 2.10).
Trong luận văn này, thiết bị FTIR được sử dụng là FTIR - Jasco 4600.
2.4.7 Hệ đo đặc tính điện, quang điện
Hình 2.11 minh họa một cấu hình thử nghiệm I-V kết hợp thiết bị Model 4200-SMU. Các thiết bị SMU này có khả năng tìm nguồn cung ứng và đo cả
dòng điện và điện áp; chúng có độ nhạy pA (pico-ampe) và có thể được giới hạn để ngăn ngừa hư hại thiết bị. Trong sơ đồ này, SMU1 là kết nối với cực cổng (G) của linh kiện FET và SMU2 được kết nối với điện cực máng (D).
Điện cực Nguồn (S) được kết nối với chân nối đất (GNDU) hoặc đến SMU thứ ba. Trong ví dụ này, phần mềm KITE của Model 4200-SCS's được thiết lập để đo DC họ đường cong phụ thuộc cực cổng (Vds – Id). Như SMU1 bước điện áp cổng (Vg), SMU2 cung cấp thế phân cực.
Hình 2.11. Sơ đồ kết nối của thiết bị đo với linh kiện có cực cổng mặt sau.
Hình 2.12 Ảnh chụp hệ thiết bị đo đặc các tham số vật liệu bán dẫn.